CN108841051A

CN108841051A - 壳聚糖功能化石墨烯手性材料的制备及作为手性识别材料的应用

Info

Publication number: CN108841051A
Application number: CN201810746729.1A
Authority: CN
Inventors: 莫尊理; 王瑞娟; 冯航空; 燕敏; 张红娟; 郭瑞斌; 刘妮娟
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-07-09
Publication date: 2018-11-20

Abstract

本发明公开了一种壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料，是将壳聚糖溶解于稀盐酸中，先用戊二醛作交联剂使壳聚糖自身进行交联，然后加入氧化石墨烯，与交联后的壳聚糖进行共价接枝，制备了壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料（rGO‑CS）。通过滴涂法将rGO‑CS修饰在玻碳电极（GCE）上形成电化学手性传感界面，并将电化学手性传感界面置于R‑扁桃酸或S‑扁桃酸溶液中，利用循环伏安法，在扫描电位为‑0.2~0.6V，扫速为100mV/s下进行扫描。由于R‑扁桃酸或S‑扁桃酸与rGO‑CS/GCE作用时空间位阻不同，峰电流不同，从而可以快速、灵敏的实现对扁桃酸异构体的识别。

Description

壳聚糖功能化石墨烯手性材料的制备及作为手性识别材料的应用

技术领域

本发明涉及一种壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料的制备方法；本发明同时涉及该复合材料作为手性识别材料，在手性识别扁桃酸对映异构体R-扁桃酸和S-扁桃酸的应用，属于复合材料技术领域和电化学手性识别领域。

背景技术

手性现象在自然界和生物体普遍存在，生物体中的大多数分子都是手性分子，例如扁桃酸、多糖和核酸等。目前手性药物的比例不断提高，由于对映体具有不同的药理活性，所以手性分子的识别至关重要。已经报道了许多手性识别的方法，其中，电化学手性识别因操作简便、灵敏度较高，低成本，受到了广大分析化学研究者的关注。手性识别材料的合成是手性识别的关键部分，当手性识别材料与两种手性对映异构体相互作用时，产生的作用力强度不同，可利用电化学技术进行检测。

壳聚糖是氨基葡萄糖单元通过β-1,4糖苷键连接而成的线性天然高分子，其中，伯羟基和氨基具有较强的化学反应活性，容易实现改性。其次，手性位点分布高度有序。但是壳聚糖不导电，而碳基材料中石墨烯有强的导电性和良好的成膜性，因此，将壳聚糖与石墨烯进行复合，得到具有导电能力的壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料，有望作为手性识别材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备方法；

本发明的另一目的是提供一种上述壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料作为手性识别材料在手性识别扁桃酸对映异构体R-扁桃酸和S-扁桃酸的应用。

一、壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备

（1）壳聚糖溶液的制备：将壳聚糖超声分散于稀盐酸溶液中，并加热使其充分溶解；随后加入戊二醛作为交联剂，常温搅拌30~35 h，使壳聚糖自身交联（戊二醛上的两个醛基与壳聚糖分子链上的氨基反应生成醛基，使得壳聚糖发生分子内交联，成网络状），得到交联化的壳聚糖溶液。其中稀盐酸的浓度为0.08~0.1M，壳聚糖以1~1.2 mg/mL的比例分散于稀盐酸中；戊二醛的浓度为1%~1.5%；戊二醛以1:2~1:2.2的体积比加入稀盐酸溶液中。

（2）氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯（GO）超声分散于纯水中，并加入1-（3-二甲基氨基丙基）-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐（EDC•HCL）作为羰基活化剂，超声20~25min，得到活化的氧化石墨烯溶液。其中，氧化石墨烯以0.5~0.8mg/mL的比例分散于纯水中；羰基活化剂EDC•HCL的加入量为0.08~0.1g/mL。

（3）壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备：将交联化的壳聚糖溶液与活化的氧化石墨烯溶液混合后，加入N-羟基丁二酰亚胺（NHS）作为交联剂，于75~80℃下持续反应12~13h；然后加入还原剂抗坏血酸（VC），还原掉氧化石墨烯上多余的含氧官能团与碳氧双键，抽滤，洗涤，冷冻干燥，得到壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料（rGO-CS）。

交联化的壳聚糖溶液与活化的氧化石墨烯溶液混合的比例，以壳聚糖与氧化石墨烯的质量比为1:1~1:1.3；交联剂N-羟基丁二酰亚胺的加入量为羰基活化剂EDC质量的3~4倍；还原剂抗坏血酸（VC）的加入量为氧化石墨烯质量的6~8倍。

该反应过程中，氧化石墨烯上的羧基和环氧基与壳聚糖分子内未反应的氨基再次发生酰化反应，使得壳聚糖共价接枝到石墨烯片层上。NHS作为交联剂，与EDC共同使用，促使酰胺键的形成。

图1是手性复合材料（rGO-CS）的低倍扫描电镜（SEM）图。从图1中可以看出，CS均匀有序的分布在rGO层间，复合材料表面呈现出网络状。

图2是手性复合材料rGO-CS的高倍扫描电镜（SEM）图。从图2中可以看到，手性复合材料形成了脉络清晰的3D网状结构，这有利于暴露出CS上更多的-OH，增加手性位点，提高手性识别效率。

图3是rGO-CS、CS、GO的傅里叶红外（IR）图。GO的曲线，在1736 cm^-1处的峰是羰基的伸缩振动峰，1400 cm^-1出是羧基中-C-O-伸缩振动峰，1054 cm^-1处是环氧基的特征峰，这些含氧官能团的存在说明石墨已经被氧化，这些含氧官能团的存在使得氧化石墨烯有更好的亲水性和可修饰性。CS的曲线在1609 cm^-1，1154 cm^-1和898 cm^-1分别出现了CS的三个特征吸收峰，它们属于多糖结构的特征吸收。rGO-CS的曲线1726 cm^-1，1594 cm^-1，1039 cm^-1分别为酰胺键上的羰基（-C=O-），N-H和C-H的伸缩振动峰，证明CS与氧化石墨烯通过酰胺键成功连接，884 cm^-1属于CS上的特征峰，说明手性材料识别材料rGO-CS复合成功。

二、手性识别材料的电化学性能

1、电极的制备及循环伏安曲线

将裸玻碳电极（GCE）在麂皮上分别用0.3μm和0.05μm的AL₂O₃抛光，将表面污物洗涤后，转入乙醇和超纯水分别超声5~6min。分别制备成rGO/GCE和rGO-CS/GCE。

将rGO/GCE和rGO-CS/GCE分别其置于5.0~5.5mM [Fe(CN)₆]^4-/3-溶液（该溶液中包含0.1~0.15M的KCL）进行循环伏安（CV）测试，不同修饰电极的CV曲线如图4所示。可以看出，峰电流的大小依次为rGO/GCE＞rGO-CS/GCE＞bare GCE。这主要是因为氧化石墨烯经还原剂VC还原后，减少了石墨层间的晶格缺陷，使得有rGO良好的电子传输能力以及优异的导电性，从而使得rGO/GCE的峰电流最大。CS不导电，CS共价接枝到氧化石墨烯上，制备了rGO-CS手性复合材料，使得手性识别材料修饰的电极rGO-CS/GCE的峰电流远高于bare GCE，但保留了rGO的良好的导电性，这对于功能化的石墨烯是非常有价值的。

2、手性识别材料对扁桃酸异构体的识别

将手性识别材料修饰的电极rGO-CS/GCE分别置于5~6mM/L，体积为20~25mL的R-扁桃酸和S-扁桃酸溶液中。利用循环伏安法（CV）识别，扫描电位为-0.2~0.6V，扫速为100mV/s。

图5为rGO-CS/GCE识别扁桃酸异构体时，不同pH对峰电流比值的影响。可以看出，R-扁桃酸和S-扁桃酸与rGO-CS/GCE作用时，在pH=6.0时有最佳的识别效果（图6）。这是因为当R-扁桃酸靠近rGO-CS/GCE时，具有更大的位阻作用，即峰电流值较大。而当S-扁桃酸靠近rGO-CS/GCE时，位阻作用较小，峰电流值下降更多（峰电流值较小），从而可以实现对扁桃酸异构体的识别。

附图说明

图1为复合材料（rGO-CS）的低倍SEM图。

图2为rGO-CS的高倍SEM图。

图3为rGO-CS的IR图。

图4为本发明不同修饰电极的CV曲线。

图5为rGO-CS/GCE识别扁桃酸异构体时，不同pH对峰电流比值的影响。

图6为rGO-CS/GCE在pH=6.0时识别扁桃酸异构体的CV曲线。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备及作为手性识别材料的应用作进一步说明。

实施例1、壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备

（1）交联化壳聚糖溶液的制备：取16mg壳聚糖加入到15~16mL 0.1M稀盐酸溶液中，超声30~40min使其分散均匀，稍后在50℃左右加热搅拌使其充分溶解；随后加入3~3.5mL 1.2%戊二醛作为交联剂，常温搅拌30~32h，使壳聚糖自身交联，得到交联化壳聚糖溶液。

（2）氧化石墨烯溶液的制备：取8mg氧化石墨烯，超声分散于15~16mL 0.1M稀盐酸中，超声30~40min使其分散均匀；再加入0.08~0.1g 1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐(EDC•HCL)作为羰基活化剂，继续超声30min，得到活化的氧化石墨烯溶液。

（3）壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备：将上述制备的交联化壳聚糖溶液与活化的氧化石墨烯溶液混合均匀后，加入0.25~0.28g N-羟基丁二酰亚胺（NHS）作为交联剂，于75~80℃下持续反应15h；然后加入0.055~0.056g VC还原掉氧化石墨烯上多余的含氧官能团与碳氧双键，抽滤，洗涤，冷冻干燥，得到壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料（rGO-CS），室温保存。

实施例2、手性识别扁桃酸对映异构体R-扁桃酸和S-扁桃酸

（1）电化学手性传感器的制备：将裸玻碳电极（GCE）在麂皮上用AI₂O₃抛光，先用超纯水冲洗表面污物，再转入乙醇和超纯水中分别超声5~6min。将5.5μL质量浓度为2mg/mL rGO-CS均匀滴涂在表面抛光的GCE上，制备成rGO-CS/GCE电化学传手性感器。

（2）电化学传手性感器识别扁桃酸对映异构体：将电化学手性传感器rGO-CS/GCE分别置于浓度为10mM/L，体积为25mL的R-扁桃酸和S-扁桃酸溶液中（该溶液包含0.2~0.3MPBS（pH=6.0）缓冲溶液和0.5mM [Fe(CN)₆]^4-/3-)，利用循环伏安（CV）对扁桃酸对映体进行手性识别，扫描电位为-0.2~0.6V，扫速100mV s^-1。

测试结果，R-扁桃酸与rGO-CS/GCE作用时，峰电流较大：为191μA。S-扁桃酸与rGO-CS/GCE作用时，峰电流较小：为91μA。

Claims

1.一种壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备方法，包括以下工艺步骤：

（1）壳聚糖溶液的制备：将壳聚糖超声分散于稀盐酸溶液中，并加热使其充分溶解；随后加入戊二醛作为交联剂，常温搅拌30~35 h，使壳聚糖自身交联，得到交联化的壳聚糖溶液；

（2）氧化石墨烯溶液的制备：将氧化石墨烯超声分散于纯水中，并加入1-(3-二甲基氨基丙基)-3-乙基碳化二亚胺盐酸盐作为羰基活化剂，超声20~25min，得到活化的氧化石墨烯溶液；

（3）壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备：将交联化的壳聚糖溶液与活化的氧化石墨烯溶液混合后，加入N-羟基丁二酰亚胺作为交联剂，于75~80℃下持续反应12~13 h；然后加入抗坏血酸还原掉氧化石墨烯上多余的含氧官能团与碳氧双键，抽滤，洗涤，冷冻干燥，得到壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料。

2.如权利要求1所述壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，稀盐酸的浓度为0.08~0.1M，壳聚糖以1~1.2 mg/mL的比例分散于稀盐酸中。

3.如权利要求1所述壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，戊二醛的浓度为1%~1.5%；戊二醛以1:2~1:2.2的体积比加入稀盐酸溶液中。

4.如权利要求1所述壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，氧化石墨烯以0.5~0.8mg/mL的比例分散于纯水中；羰基活化剂EDC•HCL的加入量为0.08~0.1g/mL。

5.如权利要求1所述壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，壳聚糖与氧化石墨烯的质量比为1:1~1:1.3。

6.如权利要求1所述一种壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，交联剂N-羟基丁二酰亚胺的加入量为羰基活化剂EDC质量的3~4倍。

7.如权利要求1所述一种壳聚糖功能化的石墨烯手性复合材料的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，还原剂抗坏血酸（VC）的加入量为氧化石墨烯质量的6~8倍。

8.如权利要求1所述方法制备的壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料作为手性识别材料用于识别R-扁桃酸和S-扁桃酸。

9.如权利要求8所述方法制备的壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料作为手性识别材料用于识别R-扁桃酸和S-扁桃酸，其特征在于：将壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料充分分散于超纯水中，通过滴涂的方式将其修饰在玻碳电极上形成电化学手性传感界面；将电化学手性传感界面分别置于R-扁桃酸或S-扁桃酸溶液中，利用循环伏安法，在扫描电位为-0.2~0.6V，扫速为100mV/s下进行扫描，峰电流值较大的为R-扁桃酸，峰电流值较小的为S-扁桃酸。

10.如权利要求9所述方法制备的壳聚糖功能化石墨烯手性复合材料作为手性识别材料用于识别R-扁桃酸和S-扁桃酸，其特征在于：R-扁桃酸或S-扁桃酸溶液是用铁氰化钾溶液液配制而成，包含浓度为0.2~0.3M的PBS缓冲溶液。